半导体前道量检测设备行业发展概览及2023年国内外主要竞争厂商分析

发布时间：2023-08-02　　来源：立鼎产业研究网　点击量： 1852　

前道量检测设备根据工艺不同可以分为量测(Metrology) 、缺陷检测(Inspection) 设备。两大类。具体来看，1）量测类设备：用于测量薄膜厚度、膜应力、掺杂浓度、关键尺寸(CD)、套准精度等指标，对应设备分为椭偏仪、四探针、原子力显微镜、CD-SEM、OCD 设备等。2）缺陷检测类设备：主要用于检测晶圆表面的缺陷并定位其坐标，分为明/暗场光学图形图片缺陷检测设备、无图形表面检测设备、宏观缺陷检测设备等。

半导体前道量测与缺陷检测项目汇总

资料来源：公开资料

从技术原理上看，量检测包括光学检测技术、电子束检测技术和 X 光量测技术等。根据 VLSI Research数据，2020 年全球半导体量检测设备市场中，应用光学检测技术、电子束检测技术及 X 光量测技术的设备市场份额分别为75.2%/18.7%/2.2%。光学检测技术主要通过对光信号进行计算分析以获得检测结果，具有速度快、精度高，无损伤的特点，应用于三维形貌测量、光刻套刻测量、多层膜厚测量、有/无图形缺陷检测等多个量检测领域。

半导体量检测技术原理汇总

资料来源：公开资料

在量测设备中，测量膜厚的设备和测量关键尺寸的关键尺寸扫描电子显微镜(CD-SEM)/光学关键尺寸(OCD)测量设备，是国内半导体前道量测设备制造商率先切入的领域。具体来看：

（1）膜厚测量机：在半导体制造过程中，晶圆要进行多次各种材质的薄膜沉积，因此薄膜的厚度及其性质（如折射率和消光系数）需要准确地确定，以确保每一道工艺均符合设计规格。膜厚测量可以根据薄膜材料划分为不透明薄膜（金属类）和透明薄膜两个主要类型。1）不透明薄膜：通常基于测量方块电阻（是用于间接表征薄膜膜层、玻璃镀膜膜层等样品上的真空镀膜的热红外性能的测量值），通过其电阻与横截面积得到膜厚值，测量设备一般为四探针台，将四根探针等距离放置，通过对最外两根探针施加电流从而测量其电势差计算被测薄膜的方块电阻。2）透明薄膜：通常基于椭圆偏振技术，对光谱范围内的偏振变化进行分析进行高精度膜厚测量。由于膜应力、折射率等物理性质同样需要椭圆偏振及干涉技术进行测量，因此目前主流的膜厚测量设备同时集成了应力测量、折射率测量等功能。膜厚检测市场主要供应商为KLA，上海精测EFILM系列拥有多个型号（含独立式膜厚设备），目前已取得国内一线客户的批量订单。

在半导体晶圆上测量膜厚

资料来源：公开资料

（2）CD-SEM/OCD设备。如果经过光刻后的光刻胶线条宽度或刻蚀后栅极线条宽度与设计尺寸的偏离，都会直接影响最终器件的性能、成品率和可靠性，所以先进的工艺控制都需要对线条宽度进行在线测量，称为关键尺寸(Crtical Dimension, CD)测量。产品方面，1 ）CD-SEM ：CD-SEM 具备高精度的 CD 测量和可测量线宽变化及线边缘粗糙度(LER)的功能，但 CD-SEM 工作时需将待测晶圆置于真空导致检测速度较慢，且通过电子轰击量测可能破坏样品材料，难以有效测量具有多边结构的多晶栅极线宽、浅沟道隔离的深度和剖面图形形貌等；另外，CD-SEM 测量局部数据点线宽时需多次取样，难以满足先进的在线工艺控制应用对关键尺寸测量的要求。目前 CD-SEM 主要供应商为 Hitachi 和AMAT。2 ）OCD 设备：目前基于光衍射原理的 OCD 设备已成为先进半导体制造工艺中的主要工具，它主要应用于光刻胶曝光显影后、刻蚀后和 CMP 工艺后的 CD 和形貌结构的测量，并具有很好的重复性和长期稳定性，可以一次性获得多种工艺尺寸参数，而在以前这些参数通常需要使用多种设备（如扫描电子显微镜、原子力显微镜、光学薄膜测量仪等）才能完成。OCD 设备主要供应商为 KLA、Nanometrics，上海精测 EPROFILE 300FD产品获多家国内一线客户的验证通过，且已取得少量订单。

CD-SEM下的光刻胶线图像

资料来源：Hitachi

半导体缺陷检测设备主要用于检测晶圆上的物理缺陷（称为颗粒的异物）和图案缺陷，并获取缺陷位置坐标。缺陷可分为随机缺陷和设备缺陷两类，1）随机缺陷：由附着在晶圆表面的颗粒引起，无法预测位置；2）设备缺陷：由掩模和曝光工艺的条件引起，通常在所有投射的管芯的电路图案上的相同位置发生。

晶圆缺陷检测技术可分为光学和电子束技术。1）光学技术：传统检测技术是以光学检测为主，透过光学原理可以很快地大范围检测。然而随着半导体制程升级，光学检测在先进工艺技术的图像识别的灵敏度明显下降。主要设备包括明/暗场图形缺陷检测系统等（明场检测系统一般用于详细检查模式缺陷，暗场检测系统可以高速检测，一般用于大量晶圆的缺陷检测），市场上主要供应商为KLA、AMAT、Hitachi等，上海精测拥有明场缺陷检测设备BFI100，现已获得客户订单。2）电子束技术：电子束的原理是利用电子束扫描待测元件得到二次电子成像的影像，通过对二次电子的收集，以呈现的图像来解析晶圆在制程中的异常处。电子束检测的优势是灵敏度高，可以检测很小的表面缺陷如栅极刻蚀残留物等，不受某些表面物理性质的影响，但缺点是检测速度慢。因此目前针对先进制程芯片的生产流程，会同时使用光学与电子束两种技术来互相辅助，进而快速找到晶圆生产的缺陷并控制和改善。目前市场上电子束检测设备主要供应商为KLA、AMAT，上海精测拥有12寸全自动电子束晶圆缺陷复查设备eViewTM，现已交付客户。

有图形和无图形晶圆检测

资料来源：Hitachi

半导体前道量检测设备基本由海外公司垄断，CR5超80%，国产厂商初露头角。从全球来看，半导体前道量检测设备市场主要被美国、日本企业垄断，包括科磊半导体(KLA)、应用材料(AMAT)、日立(Hitachi)、Nanometrics（2019年与RudolphTechnologies合并成立Ontoinnovation）、HemesMicrovison（ASML子公司）、Nova等。细分来看，由于膜厚量测技术门槛相对较低，是国内厂商进入前道量测设备的重要突破口；据KLA公告，主要厂商KLA/Nanometrics/Nova份额分别为35%/23%/16%，CR3为74%。其他如OCD量测、形貌量测、缺陷检测（有/无图形晶圆检测）等领域国内厂商均有产品量产出货，填补国产空白。国产厂商方面，1）上海睿励：主要聚焦于膜厚量测和OCD量测，已获国内一线厂商重复订单；2）中科飞测：主要聚焦膜厚量测、形貌量测和缺陷检测，客户覆盖中芯国际、长江存储、士兰微等一线厂商；3）东方晶源：主要聚焦电子束检测EBI和CD量测，目前产品也已实现交付；4）上海精测（精测电子子公司）：产品覆盖膜厚量测、OCD量测、电子束检测等多个领域，多个型号已实现量产交付，客户包括中芯国际、长江存储等国内一线厂商。分析认为，国内厂商受益于本土化、国产化趋势，积极合作国内IC厂，形成良性互动，有望快速提升国产前道量检测设备的国产化率，丰富产品线，在国内市场正面挑战国际大厂。